Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

Khám phá cách thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng hiệu quả, tối ưu hóa quy trình quản lý và nâng cao trải nghiệm khách hàng.

• Tác giả: Phạm Văn Dũng
• Người hướng dẫn: GVC. Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG
• 2.2. BĂNG TẢI CÂN ĐỊNH LƯỢNG
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐO KHỐI LƯỢNG SỬ DỤNG STRAIN GAUGE
• 2.3.1. Giới thiệu chung
• 2.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Strain gauge
• 2.3.3. Ứng dụng của Strain gauge trong đo lường
• 2.4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHUẨN GIAO TIẾP
• 2.4.1. Chuẩn giao tiếp UART
• 2.4.2. Chuẩn giao tiếp I2C
• 2.4.3. Chuẩn giao tiếp RS232
• 2.5. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN PHUN MỰC BẰNG NHIỆT
• 2.5.1. Giới thiệu chung
• 2.5.2. Nguyên lý hoạt động in phun mực bằng nhiệt
• 2.6. TỔNG QUAN VỀ NỀN TẢNG FIREBASE
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 3.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công bo mạch
• 4.2. Lắp ráp và kiểm tra
• 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển
• 4.3.2. Đóng gói module led 7 đoạn
• 4.3.3. Thi công mô hình
• 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.4.1. Giới thiệu phần mềm
• 4.4.3. Hướng dẫn tạo chương trình IDE
• 4.4.4. Hướng dẫn tạo chương trình website dùng phần mềm VSCode
• 4.4.5. Hướng dẫn đẩy dữ liệu ESP32 lên Firebase và liên kết Firebase với website
• 4.4.6. Hướng dẫn cài đặt thông số máy in TIJ
• 4.5. HƯỚNG DẪN THAO TÁC VÀ SỬ DỤNG MÔ HÌNH
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Kết quả xây dựng mô hình
• 5.2. Kết quả thực nghiệm việc cân, hiển thị thông tin và phân loại
• 5.3. Kết quả thực nghiệm việc in thông tin sản phẩm
• 5.4. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. KẾT LUẬN
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp với đề tài 'Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng' được thực hiện bởi sinh viên Phạm Văn Dũng và Đoàn Duy Tân dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Đình Phú. Đề tài tập trung vào việc thiết kế hệ thống và thi công hệ thống tự động phân loại sản phẩm dựa trên khối lượng sản phẩm. Hệ thống sử dụng các công nghệ hiện đại như Arduino Mega2560, ESP32, và máy in TIJ để đạt được độ chính xác cao trong quá trình phân loại. Mục tiêu của đề tài là tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng và hiệu quả trong quản lý sản phẩm.

1.1 Mục tiêu của đồ án

Mục tiêu chính của đồ án tốt nghiệp là thiết kế hệ thống và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng sản phẩm. Hệ thống sử dụng Arduino Mega2560 để xử lý tín hiệu từ loadcell, phân loại sản phẩm đạt và không đạt yêu cầu. Thông tin về sản phẩm được hiển thị trên LCD, led 7 đoạn, và website. Đề tài cũng hướng đến việc ứng dụng công nghệ thông tin để quản lý dữ liệu và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm việc tìm hiểu và lập trình Arduino Mega2560, ESP32, và máy in TIJ. Các bước thực hiện bao gồm thiết kế băng tải, xử lý tín hiệu từ loadcell, lập trình phân loại sản phẩm, và xây dựng giao diện website để hiển thị thông tin. Quá trình nghiên cứu cũng tập trung vào việc khảo sát và điều chỉnh hệ thống để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả.

II. Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng sản phẩm là trọng tâm của đề tài. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như Arduino Mega2560, ESP32, loadcell, máy in TIJ, và các module hiển thị. Loadcell được sử dụng để đo khối lượng sản phẩm, tín hiệu từ loadcell được xử lý bởi Arduino để phân loại sản phẩm đạt và không đạt yêu cầu. Thông tin về sản phẩm được hiển thị trên LCD, led 7 đoạn, và website. Hệ thống cũng tích hợp máy in TIJ để in thông tin lên sản phẩm đạt chuẩn.

2.1 Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống bao gồm các thành phần chính như Arduino Mega2560, ESP32, loadcell, máy in TIJ, LCD, led 7 đoạn, và băng tải. Arduino Mega2560 đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu từ loadcell và điều khiển các thiết bị ngoại vi. ESP32 được sử dụng để kết nối hệ thống với website thông qua Firebase. Máy in TIJ được tích hợp để in thông tin lên sản phẩm đạt chuẩn.

2.2 Quy trình thiết kế

Quy trình thiết kế hệ thống bao gồm các bước: thiết kế sơ đồ khối, tính toán và thiết kế mạch điện, lập trình điều khiển, và tích hợp các thành phần. Arduino Mega2560 được lập trình để xử lý tín hiệu từ loadcell, điều khiển servo để phân loại sản phẩm, và giao tiếp với máy in TIJ qua chuẩn RS232. ESP32 được lập trình để đẩy dữ liệu lên Firebase và hiển thị thông tin trên website.

III. Thi công hệ thống phân loại sản phẩm

Thi công hệ thống là giai đoạn quan trọng để biến các thiết kế thành hiện thực. Quá trình thi công bao gồm việc lắp ráp các thành phần như Arduino Mega2560, ESP32, loadcell, máy in TIJ, và các module hiển thị. Băng tải được thiết kế để vận chuyển sản phẩm qua loadcell để đo khối lượng. Servo được sử dụng để phân loại sản phẩm đạt và không đạt yêu cầu. Máy in TIJ được lắp đặt để in thông tin lên sản phẩm đạt chuẩn. Hệ thống được kiểm tra và hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả.

3.1 Lắp ráp và kiểm tra hệ thống

Quá trình lắp ráp bao gồm việc kết nối Arduino Mega2560 với loadcell, servo, LCD, led 7 đoạn, và máy in TIJ. ESP32 được kết nối với Arduino để đẩy dữ liệu lên Firebase. Hệ thống được kiểm tra từng bước để đảm bảo các thành phần hoạt động chính xác. Loadcell được hiệu chỉnh để đo khối lượng sản phẩm với độ chính xác cao. Servo được điều chỉnh để phân loại sản phẩm đạt và không đạt yêu cầu.

3.2 Đánh giá hiệu quả hệ thống

Hệ thống được đánh giá dựa trên độ chính xác trong việc phân loại sản phẩm và hiệu quả trong quá trình vận hành. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể phân loại sản phẩm với độ chính xác cao, thông tin về sản phẩm được hiển thị rõ ràng trên LCD, led 7 đoạn, và website. Máy in TIJ hoạt động ổn định, in thông tin lên sản phẩm đạt chuẩn một cách chính xác.

IV. Ứng dụng và hướng phát triển

Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng có nhiều ứng dụng trong các nhà máy sản xuất, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Hệ thống giúp tăng hiệu suất, giảm thiểu sai sót, và nâng cao chất lượng sản phẩm. Trong tương lai, hệ thống có thể được phát triển thêm bằng cách tích hợp các công nghệ mới như AI và IoT để tăng cường khả năng tự động hóa và quản lý dữ liệu.

4.1 Ứng dụng thực tế

Hệ thống có thể được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất để phân loại sản phẩm theo khối lượng sản phẩm. Điều này giúp tăng hiệu suất và độ chính xác trong quá trình sản xuất, đồng thời giảm thiểu sai sót do yếu tố con người. Hệ thống cũng có thể được tích hợp vào các dây chuyền sản xuất tự động để tối ưu hóa quy trình sản xuất và quản lý sản phẩm.

4.2 Hướng phát triển

Trong tương lai, hệ thống có thể được phát triển thêm bằng cách tích hợp các công nghệ mới như AI để nâng cao khả năng phân loại và IoT để quản lý dữ liệu từ xa. Hệ thống cũng có thể được mở rộng để phân loại sản phẩm dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như kích thước, màu sắc, và chất lượng. Điều này sẽ giúp hệ thống trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn trong các ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ra những hướng phát triển cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG 2.1 Các hệ thống cân định lượng hiện nay Việc đo lường và kiểm soát khối lượng trong nhà máy và xí nghiệp luôn là một bước quan trọng trong quá trình sản xuất.

Việc đo lường chính xác sẽ giúp cho các nhà máy hoạt động một cách liên tục và hiệu quả hơn, đồng thời tạo ra các sản phẩm tốt hơn. Trước đây, để định lượng nguyên vật liệu trong các bồn chứa và phễu chứa trong quá trình sản xuất, người ta thường sử dụng các phương pháp đo lường bằng thể tích, đo mức, đo bằng lưu lượng hoặc đo cơ học. Tuy nhiên, các phương pháp này thường rất cồng kềnh và độ chính xác không cao. Hiện nay, các hệ thống sản xuất hiện đại đòi hỏi độ chính xác và năng suất cao, cùng với khả năng kết nối với các thiết bị khác trong hệ thống.

Để đáp ứng nhu cầu này, các hệ thống cân điện tử đo lường đã được phát triển, sử dụng các cảm biến khối lượng để đo lường chính xác các khối lượng trong quá trình sản xuất. Sử dụng các hệ thống cân điện tử giúp tiết kiệm chi phí tiêu hao nguyên liệu, tăng năng suất và quản lý được chi phí sản xuất. Các hệ thống đo lường sử dụng cảm biến khối lượng thường được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm các loại cân như cân bồn, cân phễu, cân băng tải, cân dạng cơ và nhiều loại khác [3] như hình 2. Mỗi loại cân có ứng dụng riêng biệt và được sử dụng dựa trên nhu cầu đo lường cụ thể của từng quá trình sản xuất.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 1 Các hệ thống cân sử dụng cảm biến khối lượng 2.2 Băng tải cân định lượng 2.1 Cấu tạo Băng tải cân định lượng là một thiết bị chuyên dụng được thiết kế để đo lượng khối lượng của vật phẩm khi chúng di chuyển qua băng tải. Thiết bị này có cấu tạo đơn giản như hình 2.2, với các thành phần chính là băng tải, cảm biến tải trọng, khung cân, bộ điều khiển và xử lý, thiết bị hiển thị và thiết bị điều khiển [4].

2 Cấu tạo chung của một hệ thống băng tải cân định lượng Băng tải: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đây là thành phần chính của băng tải cân định lượng, nơi vật phẩm sẽ được di chuyển qua. Băng tải thường được làm bằng các chất liệu chịu lực như cao su, nhựa hoặc kim loại. Cảm biến tải trọng: Cảm biến tải trọng là thành phần quan trọng nhất của băng tải cân định lượng.

Nó được lắp đặt dưới băng tải và được sử dụng để đo lượng tải trọng của vật phẩm khi chúng di chuyển qua. Cảm biến tải trọng thông thường sẽ có một thanh cân bằng, một thanh biến dạng và một strain gauge. Khung cân: Khung cân là thành phần hỗ trợ và giữ cảm biến tải trọng trong vị trí cố định. Khung cân thường được làm bằng thép, và được thiết kế sao cho đủ chắc chắn để chịu tải trọng của vật phẩm khi chúng di chuyển qua.

Bộ điều khiển và xử lý: Bộ điều khiển và xử lý là thành phần được sử dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến tải trọng và tính toán lượng khối lượng của vật phẩm. Bộ điều khiển và xử lý thông thường được tích hợp trên một bo mạch điện tử và có thể được kết nối với các thiết bị hiển thị hoặc thiết bị điều khiển khác. Thiết bị hiển thị: Thiết bị hiển thị được sử dụng để hiển thị lượng khối lượng của vật phẩm. Thiết bị hiển thị có thể là một màn hình LED hoặc LCD và thường được đặt gần băng tải để người dùng có thể dễ dàng theo dõi.

Thiết bị điều khiển: Thiết bị điều khiển được sử dụng để điều khiển hoạt động của băng tải cân định lượng. Thiết bị điều khiển có thể là một bộ điều khiển từ xa hoặc một bộ điều khiển tích hợp trên băng tải.2 Nguyên lý hoạt động của băng tải cân định lượng Băng tải cân định lượng là một thiết bị dùng để đo lượng khối lượng của các vật phẩm khi chúng di chuyển trên băng tải. Nguyên lý hoạt động của băng tải cân BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT định lượng dựa trên cơ chế đo lường tải trọng của cảm biến tải trọng được lắp đặt trên băng tải.

Cụ thể, băng tải cân định lượng có một cảm biến tải trọng được lắp đặt dưới băng tải nơi mà vật phẩm sẽ di chuyển qua. Khi vật phẩm di chuyển qua cảm biến, nó sẽ tạo ra một lực tác động lên cảm biến và gây biến dạng. Cảm biến tải trọng sử dụng nguyên lý cơ học để đo lường lực tác động của vật phẩm và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tử tương ứng [5]. Các tín hiệu điện tử này được chuyển đến bộ điều khiển và xử lý để tính toán lượng khối lượng của vật phẩm.

Bộ điều khiển và xử lý sử dụng một phương pháp xác định khối lượng bằng cách so sánh tín hiệu từ cảm biến tải trọng với các giá trị được cấu hình trước đó. Sau đó, bộ điều khiển và xử lý sẽ hiển thị lượng khối lượng của vật phẩm trên màn hình hoặc gửi đến thiết bị điều khiển khác [5]. Do đó, nguyên lý hoạt động của băng tải cân định lượng là dựa trên việc đo lường lực tác động của vật phẩm lên cảm biến tải trọng để tính toán lượng khối lượng của vật phẩm đó.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO KHỐI LƯỢNG SỬ DỤNG STRAIN GAUGE 2.1 Giới thiệu chung Strain gauge là một cảm biến được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật đo lường để đo các biến dạng cơ học như biến dạng cơ học, áp suất, nhiệt độ, tải trọng, và các biến dạng khác. Strain gauge hoạt động dựa trên hiệu ứng cơ học của các vật liệu dẫn điện, khi chúng bị biến dạng thì trở kháng của chúng sẽ thay đổi.

Khi một vật bị biến dạng, đường kính của vật sẽ thay đổi và bề mặt của vật bị kéo dãn hoặc co lại. Strain gauge được gắn lên bề mặt vật để đo lường các thay đổi trong đường kính và độ dài của vật, và sản sinh ra một tín hiệu điện tử tương ứng với biến dạng của vật. Các ứng dụng của Strain gauge trong kỹ thuật đo lường rất đa dạng, bao gồm: Đo lường tải trọng, đo lường áp suất, đo lường nhiệt độ, đo lường biến dạng cơ học, đo lường dao động và một số ứng dụng khác.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Strain gauge BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Strain gauge là một cảm biến có kích thước rất nhỏ và mỏng, được thiết kế với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau để phù hợp với từng ứng dụng đo lường cụ thể.

Strain gauge là bộ phận quan trọng nhất trong cấu trúc của cảm biến lực (loadcell). Một Loadcell có thể bao gồm nhiều Strain gauge để tăng độ chính xác của quá trình đo lường lực. 3 Cấu tạo Strain gauge Mỗi Strain gauge được cấu tạo cơ bản như hình 2.3, bao gồm một lá kim loại (1) được cách điện bởi một lớp chất nền dẻo (2) (được biểu thị bằng màu vàng trong hình 2.3), cấu trúc này còn được gọi là lá điện trở. Hai dây dẫn (3) ở cuối lá điện trở truyền dòng điện về máy đo.

Khi bề mặt của cảm biến bị nén hoặc căng, sự thay đổi trong điện trở sẽ được ghi lại và truyền đến máy đo [6]. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi của điện trở theo độ biến dạng [6]: 𝜌𝐿 𝑅= 𝑆 Trong đó, R: Điện trở Strain gauge (Ω) L: Chiều dài của sợi dây kim loại Strain gauge (m) S: Tiết diện sợi kim loại Strain gauge (m2 ) 𝜌: Điện trở xuất (phụ thuộc vào chất liệu kim loại Strain gauge) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 4 Nguyên lý hoạt động của Strain gauge Khi vật liệu bị căng hoặc nén, tấm mỏng của Strain gauge bị biến dạng theo hướng đó và điện trở của nó sẽ thay đổi theo cùng hướng.

Khi dây bị nén, chiều dài của Strain gauge giảm dẫn đến giảm điện trở. Khi dây bị kéo dãn, chiều dài của Strain gauge tăng dẫn đến tăng điện trở. Từ đó, ta có thể xác định được mức độ biến dạng của vật liệu dựa trên sự thay đổi của điện trở. Các thay đổi này có tỷ lệ tương đối với lực tác động lên nó [6].3 Ứng dụng của Strain gauge trong đo lường Một trong những ứng dụng chính của Strain gauge là cảm biến tải trọng.

Cấu tạo chính của cảm biến tải trọng bao gồm các điện trở Strain gauge R1, R2, R3, R4 kết nối thành một cầu điện trở Wheatstone [7] như hình 2. 5 Mạch cầu Wheatstone sử dụng strain gauge Một điện áp kích thích được cấp vào ngõ vào ở góc 2 và 3 của mạch cầu Wheatstone và điện áp đầu ra được đo ở góc 1 và 4. Ở trạng thái không tải, điện áp đầu ra có giá trị bằng 0. Khi cảm biến tải trọng bị tải hoặc chịu lực tác động, nó thay đổi hình dạng, dẫn đến thay đổi giá trị của điện trở Strain gauge và điều này sẽ ảnh hưởng đến giá trị của điện áp đầu ra [7] như hình 2.6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 6 Cảm biến tải trọng bị lực tác động Điện áp ngõ ra của cảm biến tải trọng được tính theo hình 2.6 như sau: Đối với nhánh nối tiếp thứ nhất: 2,1,3 𝑅2 𝑉1 = × 𝑉𝑖 (*) 𝑅1 +𝑅2 Đối với nhánh nối tiếp thứ 2: 2,4,5 𝑅3 𝑉4 = × 𝑉𝑖 (**) 𝑅3 +𝑅4 Từ (*) và (**), suy ra: 𝑉0 = 𝑉1 − 𝑉4 2.3 GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 2.1 Chuẩn giao tiếp UART - Giới thiệu: UART là một vi mạch được tích hợp trong một số vi điều khiển, không giống như các giao thức truyền thông như I2C và SPI. Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu theo chuỗi liên tục. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách: giao tiếp dữ liệu nối tiếp (serial) và giao tiếp dữ liệu song song (parallel).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 7 Giao tiếp UART Trong giao tiếp dữ liệu nối tiếp như hình 2.